【深度调查】没有输家！——美国发动机大战的回顾（二）
来自GE的挑战
当老冤家 P&W 志得意满之际，GE 却在军用发动机的竞赛中屡尝败绩，相继丢失了空军三代机动力的合同后，当时仅有的大型发动机研制项目就是为 B-1 战略轰炸机配套的 F101 工程。然而当 F101 准备投入批量生产之际，厄运再次降临——1977 年 6 月卡特政府决定取消 B-1A 项目。所幸的是军方在后续工程发展计划的名义下继续支持发动机项目的进行，保住了来之不易的型号（三十年后再回顾这段历史，仍旧为 F101 感到庆幸、更叹服美国空军的远见！）后续试验的主要目的是加速发动机的成熟、延长零部件的使用寿命并降低生产和后勤保障费用。F101 在研制过程中全面贯彻了美军于 1969 年制定的“发动机结构完整性大纲”（ENSIP）[注 5]，截至 1981 年发动机地面试验累计达 40,000 小时以上，飞行试验 7,600 小时，因此发动机的“三性”（可靠性、耐久性、维护性）有了充分的保证。
装备 B-1B 轰炸机的 F101-GE-102 发动机结构图
早在 1975 年 GE 公司自筹资金 2,000 多万美元，以 F101 核心机为基础、利用比例放大的 F404 低压部分组装一台热力循环参数与 F100 相近的验证机——F101X，她与 F101 相比降低了涵道比、提高了增压比。不过当时这台发动机的主要目标是竞争海军的 F-14 换发项目，然而由于海军担心整个换发工作代价太大（全部费用可能高达 10 亿美元），因此即便在有部分预算拨款支持的情况下，仍不愿从其他被认为更重要的项目中抽调资金以支持该计划。
有道是有心栽花花不开、无心插柳柳成行，后来的“剧情”发展恰好印证了这句老话。F101X 的诞生立即引起了空军极大关注，尤为吸引他们的 F101X 在可靠性、耐久性方面的良好表现，更没有发生困扰 F100 的滞止失速问题。
到 1979 年初，已经有足够的空军官员同意接收原海军 F-14 换发的预算拨款来支持 F101X。不过想要启动这个项目还必须在国会举行的听证会上进行说明、备询，在会上空军将领不得不面对那些支持 P&W 的议员们疾风暴雨般地质询，他们向空军司令提出了一系列诸如后勤保障、零配件供应、发动机性能等尖刻却现实的问题。不过尽管有这些反对意见，最终国会还是批准了该项目，当空军官员们获悉与 GE 的合同将在两周内签订的消息后，都感到异常的兴奋（wirebrushed）！
1979 年2月，根据美军实施的“发动机型号衍生计划”EMDP，GE 和军方签订了一份研制周期 30 个月“固定价格”的有限合同，总金额 7,970 万美元研制 F101DFE（衍生型战斗机发动机），并要求在 F-16、F-14 飞机上进行飞行试验。这项计划的主要目标是：
鉴定飞机/发动机的匹配能力、包括性能和作战适用性。
通过 AMT [注 6] 确定发动机的耐久性。
根据验证的能力，提出生产型发动机的型号规范。
由于有了一台经过严苛考验的 F101 核心机，通过 F101X 证明其改型方案也可行，因此这台核心机不需要做大的改动。1979 年 F101DFE 首次台架试车，之后两年里发动机进行了广泛的试验，经历了 1,000 多小时的地面试车，达到或超过了预期目标。根据合同 GE 只提供三台发动机，但后来又增加了两台，其中一台用于结构、损伤容限和耐久性试验，另一台则被用来验证新设计的发动机附件系统，以适应 F-15 发动机舱的安装要求。
试飞工作进行的也比较顺利，1980 年 12 月 19 日首架装配 F101DFE 发动机的 F-16A（75-0745）试飞成功。几个月之前 F101DFE 已通过 PFRT 考核，值得注意的是试车采用了 AMT 技术。F-16/101 共飞行 58 次 75 个小时，完成了所有的飞行项目，试验表明 F101DFE 无需做重大改进即可装在 F-16 上使用，在飞行过程中工作稳定、表现出了良好的性能。不过试验期间也发生了一些故障，最严重的一次是第五次飞行中由于一个铝制燃油接头断裂造成停车，为此 GE 公司对发动机相关部件做了改进，排除了故障。
1981 年和 1982 这两年里，F101DFE 还在格鲁曼的 F-14B 原型机上进行了科研试飞，用了 4 台发动机，共飞行 44 次 70 小时。有意思的是试验用机正是当年测试 F401 的那架编号 157986 机。然而好事多磨，海军在 1982 年“故伎重演”取消了换发项目， F-14 的“心脏移植手术”被迫再次推迟。
正在进行 F101DEF 发动机测试的 F-14B 原型机，注意尾喷口
与此同时，并不甘心的 P&W 公司，不断地做着游说工作，力图阻止 F101DEF 项目的进行。他们一改先前“生硬”的态度，主动提出了几项“特惠措施”：只要取消这场发动机竞争，军方就能够以难以置信的低价采购所有的发动机。但这一切为时已晚，如今的空军是吃秤砣——铁了心了！
风水轮流转
1981 年里根政府决定重新生产 B-1B 飞机，F101 时来运转又有了用武之地。而此前空军已选定了 CFM56-2（军方编号 F108）作为 KC135R 加油机的换发型号。F101DFE 和上述两个型号的核心机基本一致，因此生产费用一下降低了 25%，当初反对意见中最主要的一项——后勤保障问题也因此迎刃而解。为 F101DFE 配套的试验设施、零配件供应网络、培训计划以及后勤支援设备都可以用于 F101-GE-102 和 F108 发动机，其中订货量达 469 台的 F101 发动机就足够维修站忙活了。
1982 年对 F101DFE 来说是一个具有特殊（里程碑）意义的年份，这年里 GE 拿到一份追加合同，继续对 F101DFE 进行试验为下一步的 FSD（全尺寸工程发展）作准备。合同内容包括对发动机作优化设计、并最终确定将来安装到 F-14、15、16 三种飞机上的发动机构型。年 底GE 被正式授予一份“固定价格”FSD 合同，研制 F101DFE 的生产型——F110-GE-100。此时，从俄亥俄 Evendale 的 GEAE 总部又传来喜讯，一台编号 509-004 的 F110 发动机（这时已名正言顺了）在加速任务试车中顺利达到 5,004 个 TAC [注 7]，若按每年飞行 250 小时（500TAC）计，这已相当于外场使用了 10 年的时间！
随后两年里，F110 的研制工作进展顺利。1984 年 2 月份空军和 GE 签订了生产合同，将下一年 160 台采购订单中的 75% 交给了 GE（余下 40 台为 P&W 生产的 F100-PW-220），发动机大战的首回合 GE 初战告捷、占得先机！一年以后 F110-GE-100 定型，随后第一台量产型发动机交付使用。
F110-GE-100 是 GE 研制的第一台 120kN 级别小涵道比加力式涡扇发动机，与 F101 相比的主要区别：采用按比例放大的 YJ101/F404 发动机三级风扇代替了 1.14m 直径的两级风扇，风扇压比提高 60%、达到 3.2，减少了空气流量（从 159kg/s 减至 122kg/s），涵道比由 2.01 减到 0.87。为了适应较高的风扇转速，在 F101 的 2 级低压涡轮基础上做了重新设计，加力/喷管部分是 F101 的缩小型，并采用了 F404 的技术。此外为适应减小的风扇流路，核心机部分也做了少量的改动，对核心机以外的系统、部件作了比例缩小和减重处理。
由于在研制之初就将发动机的可靠性和耐久性放在突出的位置，并在研制全过程中全面贯彻 ENSIP 的要求，造就出一台兼顾性能、可靠性、耐久性、可维护性的先进发动机，从表 5 的数据可以看出，虽然 F110 的推重比相对较低，但由于总空气流量较大，因此获得了很大的绝对推力。后来的使用情况也证明GE公司的研制工作非常出色，F110 几乎成了安全可靠的代名词！
超级雄猫换心术
尽管 F-14B/F101DFE 计划被搁置，但发动机的出色表现还是给海军官员们留下了深刻的印象。相比较难以“伺候”的 TF30，GE 新发动机的诱惑实在是难挡的！1984 年，海军终于重启了“超级雄猫”的换发计划，为飞机换装两台 F110-GE-400 发动机。
海军型与 F110 基本型存在的差异主要是由于安装的需要——即为了适应原装配 TF30 的飞机发动机舱。
新发动机无论是性能、可靠性还是维护性等方面较原来的 TF30 都有了大幅提高，经测试新发动机使雄猫的“航程增加 60%，爬升率提高 61%，作战滞空时间延长 1/3。爬升至 1,067 米的时间要快上 61%，加速时间减少 43%，另外还消除了 TF30 常见的尾烟。”1987 年 F110 发动机开始交付海军使用，装备 F-14B/D 型飞机。
1986 年的 F-14B 原型机，安装 F110-GE-400 发动机，测试结果是皆大欢喜
普惠的补救措施
虽然在 F100-100 服役的最初几年里，P&W 公司也针对发动机发生的问题做了一些改进，1976 年~1978 年间使用 AMT 方法验证了发动机的改进成效，翻修寿命从最初 500 小时提高到 750 小时。但是 P&W 非常清楚这些修补措施尚不能彻底解决可靠性不高的问题，尤其是当空军决定以 F101DFE 作为 F-15、16 飞机的后备动力时，P&W 发现 F100 已明显处于下风。恰好当时空军提出了 EMDP 计划、这成为 F100 发展历程中的重要转折点。在该计划的名义下 P&W 和军方签署了一份 Pre-FSD 的工程发展验证合同，改进 F100 的性能与可靠性。1979 年 7 月改进型 F100-PW-220 EMDP 项目正式开始，1980 年 4 月份发动机开始台架试车。在 F110 合同签订的那一年，P&W 也获得了一份研制 F100-PW-220 的 FSD 合同。
鉴于 F100 可靠性不高所带来的严重后果， P&W 公司在 F100-220 研制之初就定下了一个指导方针，即不惜用牺牲性能的代价来提高发动机的可靠性、耐久性、结构完整性。这些改进包括：重新设计的“延长寿命的核心机”（ILC）、采用单晶材料制造涡轮叶片（由原来的 PWA1422 定向合金改为 PWA1480 单晶）、第一种用于战斗机发动机的 FADEC（全权限数字式发动机控制）、提高维护性的发动机故障诊断装置（EDU）、经改进的加力燃烧室和齿轮式燃油泵等。发动机的全加力推力保持在 105.9kN，但质量却增加了约 66kg，导致推重比下降到 7.4。
为了考核发动机的可靠性、耐久性，在 F100-220 的试验项目中还增加了 3 种试验：4000TAC 的加速任务试车、高 M 数下的耐久性试验以及高周疲劳试验。第一次加速任务试验中，发动机在 90 天内共运行 953 小时，相当于外场工作 9 年，试车期间发动机没有进行计划外检修，仅有 8 次维护（允许有 15 次），后来同一台核心机部件重新组装、再次完成一个 4000TAC 试车，在两次试验中由核心机引起的换发率、停车率、推力损失均为零，证明了 F100-220 的改进措施是有效的，彻底解决了可靠性不高的问题（见表 4），1985 年 3 月发动机设计定型，同年 11 月首台生产型发动机面世，1986 年投入使用，装备 F-15、F-16 飞机。历经十年艰苦磨砺，F100 终于走向成熟，为将来的进一步改型奠定了坚实的基础。
竞争的白热化
1983 年 5 月空军发布了 AFE 生产合同的最终版征求建议书 RFP，但此时的 P&W 仍幻想挤掉对手，因此在他的投标方案中无论采取哪种分配比例，定价都出奇的高；而实行单一供应商模式，则价格要低很多。不过心有余悸的空军根本不为所动，坚决推行 AFE 计划，1984 年正式开始实行双承包商政策并签订了首批采购合同。军方还决定今后每年的采购合同都采取比例分配模式，各家所占份额的多寡主要取决于承包商的实际表现。据统计，到 1994 年 F110 共获定购 1,065 台、F100 为 1,021 台，双方平分秋色。不过在 F-16 发动机的竞争中，GE 公司声称获得了胜利，因为在 1,000 余架飞机中，该公司提供的发动机占到了 75%。
结束语
由于 AFE 计划成效显著，因此从 80 年代至今，美国几项大型发动机研制计划（IPE、ATF 发动机、JSF 动力等项目）都采用了这种方式。
正如本文标题所述，这是一场共赢的良性“战争”，交战各方都在此役中获得了“胜利”。航空动力历来是美国军方高度重视的“关键技术领域”，美军体认到为确保长期的领先地位，需通过有效的竞争才能实现，尤其是经历了 F100 的“惨痛”教训后，更加坚定了必须在该领域保持“有效竞争环境”的决心。实践证明 AFE 的实施确实大幅提高了美国航空发动机综合能力、更重要的是促使美国发动机业研制理念的革命性转变，意义重大、影响深远！
研制/生产者也没有因为“战争”而导致衰弱，相反使自身产品精益求精、不断提高。F100 和 F110 发动机已被公认为第三代军用涡扇中的经典，成功地衍生出了两个庞大的发动机家族，并在数十个国家和地区中服役，至今仍是国际航空动力市场中的畅销产品！随着更多高新技术的融入，综合能力更高的改进型号还将不断问世、继续活跃于本世纪头三十年的航空领域，其生命周期之长令人折服！
这场战争还将延续下去,孰优孰劣将是人们永远讨论的话题……
来源：空军之翼
@两机动力控制致力于航空发动机和燃气轮机控制领域研究，精选两机动力控制第一手资讯和行业动态，剖析两机控制设计和试验技术，分享业内有价值的工程应用案例！